DE68909435T2

DE68909435T2 - Leistungsverteiler mit einem Dreileitungs-Richtkoppler.

Info

Publication number: DE68909435T2
Application number: DE89101331T
Authority: DE
Inventors: David S Peckham
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2009-01-27
Also published as: JPH02503140A; KR900701037A; DE68909435D1; EP0327892A1; KR970008294B1; ATE95342T1; US4809356A; WO1989007369A1; EP0327892B1

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenz-(HF)-Schaltungen im allgemeinen und Dreiweg-Leistungsteilung in HF-Empfängerschaltungen im besonderen.

Hintergrund

Jüngste technische Fortschritte haben die Entwickler von Funkgeräten in die Lage versetzt, die Größe eines Funkgeräts bedeutend zu vermindern. Eine solche Verminderung ist hauptsächlich der sehr hohen Schaltkreisintegration zuzuschreiben. Andere Schaltkreise des Geräts, die nicht in eine integrierte Schaltung verdichtet werden können, müssen unter Verwendung anderer Techniken verkleinert werden.
Ein solcher Schaltkreis ist eine Übertragungsleitungs-Leistungsteilerschaltung. Diese Schaltung wird typischerweise am Ausgang des spannungsgeregelten Oszillators (VCO) des Funkgeräts benutzt, um die Ausgangssignalleistung des VCO an den Empfängeroszillatoreingang, den Senderoszillatorpfad und den Synthesierer-Rückkopplungspfad (zum Regeln der Frequenz des VCO) zu verteilen. Eine solche Leistungsteilung erfordert Übertragungsleitungs-Schaltkreise, die aufgrund der Größe nicht wirksam in eine integrierte Schaltung verdichtet werden können. Folglich wurden bedeutende Anstrengungen unternommen, Übertragungsleitungs-Leistungsteilerschaltungen zu konstruieren, die die Größe der Schaltung vermindern, um der gewünschten Verkleinerung des Funkgeräts entgegenzukommen.
Eine der erfolgreicheren dieser Bemühungen kombiniert einen kapazitiven Abgriff mit einem Wilkinson-Leistungsteiler an dem Leistungssignal, um eine Dreiweg-Leistungsteilung bereitzustellen. Der Wilkinson-Leistungsteiler enthält typischerweise zwei Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen, die von einer Verbindung an dem Leistungssignal an dem einen Ende ausgehen und durch eine Impedanztrennschaltung an dem anderen Ende getrennt sind, um zwei Ausgangsanschlüsse bereitzustellen. Die zwei Ausgangsanschlüsse stellen zwei Pfade geteilter Leistung bereit, während der dritte Pfad durch den kapazitiven Abgriff bereitgestellt wird.
Diese Konfiguration ist jedoch unvorteilhaft, weil sie keine Trennung zwischen dem Ausgangsanschluß an dem kapazitiven Abgriff und den Ausgangsanschlüssen an dem Wilkinson-Teiler bereitstellt. Außerdem belastet der kapazitive Abgriff das Eingangsleistungsignal, was eine potentielle Fehlanpassung an den Ausgangsanschlüssen des Wilkinson-Teilers verursacht. Ferner nehmen die Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen des Wilkinson-Teilers übermäßigen Raum auf der Schaltungsplatine ein. Aus diesen Gründen ist diese Anordnung oftmals nicht annehmbar.
Es gibt zwei andere gebräuchliche Verfahren zum Bereitstellen eines solchen Dreiweg-Leistungsteilers. Ein Verfahren kombiniert zwei Zweiweg-Wilkinson-Leistungsteiler, wo ein Teiler benutzt wird, um die an einem der Ausgangsanschlüsse von dem anderen Teiler bereitgestellte Leistung zu teilen. Das zweite Verfahren umfaßt einen reinen Dreiweg-Wilkinson-Leistungsteiler, ähnlich dem Zweiweg-Wilkinson-Teiler, teilt aber vielmehr drei Wege direkt von dem Eingangsleistungssignal durch Verwendung von drei Trennschaltungen, von denen jede zwischen jedes Paar von Übertragungsleitungen geschaltet ist. Beide Verfahren haben leider bedeutende Nachteile.
Ein Nachteil ist, daß beide übermäßig viel Schaltungsaufwand benötigen, um die Trennschaltung(en) zu implementieren. Jede Trennschaltung, die jedem dieser Verfahren gemeinsam ist, benötigt mindestens zwei diskrete Bauteile. Das Eliminieren solcher diskreten Bauteile ist eine Hauptaufgabe bei der Verringerung der Gerätegröße.
Ein zweiter Nachteil ist, daß das Layout der Viertelwellenlängen- Übertragungsleitungen und der diskreten Schaltungselemente übermäßig viel Raum auf der Schaltungsplatine benötigt. Obwohl bekannt ist, daß die Länge der Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen durch Zufügen von Kondensatoren verringert werden kann, so würde das die Zahl der diskreten Teile erhöhen und das Ziel der Verringerung der Größe der Schaltung zunichte machen.
Ein dritter Nachteil ist, daß diese bekannten Verfahren zur Leistungsteilung keine Flexibiltät in der Leistungsverteilung an den Ausgangsanschlüssen der Wilkinson-Leistungsteilerschaltung erlauben.
Folglich wird eine Technik für eine Dreiweg-Leistungsteilung an dem Ausgang eines VCO (oder einer ähnlichen Schaltung) benötigt, die die vorerwähnten Mängel überwindet.
Aus "1968 G-MTT INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM, Detroit, Michigan, 20. - 22. Mai 1968" und aus "MICROWAVE JOURNAL, Vol. 30, Nr. 11, November 1987" sind Koppler mit vier Anschlüssen bekannt, bei denen ein nicht-angeschlossener Leiter über zwei anderen Leitern liegt, deren entgegengesetzte Enden jeweils mit den Anschlüssen des Elements verbunden sind.

Aufgaben der vorliegenden Erfindung

Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung bereitzustellen, die die vorangehenden Nachteile überwindet.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dreiweg-Leistungsteiler für den Ausgang eines VCO bereitzustellen, der eine minimale Anzahl diskreter Bauteile verwendet, einen minimalen Platz auf der Schaltungsplatine belegt und Flexibilität in der Leistungsverteilung bereitstellt.
Es ist eine andere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dreiweg-Leistungsteiler für den Ausgang eines VCO bereitzustellen, der eine angemessene Trennung zwischen den Ausgangsanschlüssen hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die für neuartig gehalten werden, sind mit Besonderheit in den anliegenden Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen, kann am besten durch Verweis auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die zusammen mit den begleitenden Zeichnungen erfolgt, in denen Verweisnummern die Elemente bezeichnen.
Figur 1 ist eine Darstellung eines Funk-Sende-Empfängers mit einer erfindungsgemäßen Dreiweg-Leistungsteilerschaltung;
Figur 2a zeigt eine Schnittansicht eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts, der eine erfindungsgemäi3e Dreiweg-Leistungsteilerschaltung enthält; und
Figur 2b zeigt eine Schnittansicht eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts, der eine alternative erfindungsgemäße Dreiweg-Leistungsteilerschaltung enthält.
Figur 2c zeigt eine Schnittansicht eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts, der eine zweite, alternative erfindungsgemäße Dreiweg-Leistungsteilerschaltung enthält.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die in dieser Beschreibung offengelegte Anordnung ist von besonderem Nutzen für die Aufteilung der an einem Eingangsanschluß bereitgestellten HF-Oszillatorsignalleistung auf drei einzelne Ausgangsanschlüsse. Insbesondere kann die hierin offengelegte Anordnung auf die Teilung der am Ausgang eines VCO in einem Funk-Sende-Empfänger bereitgestellten HF-Leistung und die Verteilung dieser Leistung an einen Empfängeroszillatoreingang, einen Senderoszillatorpfad und einen Synthesierer-Rückkopplungspfad (zum Regeln der Frequenz des VCO) angewandt werden.
Figur 1 ist erklärend. Sie enthält einen Funk-Sende-Empfänger 110, in dem ein VCO 112 dargestellt ist, der ein Hochfrequenzleistungssignal über eine Leistungsteilerschaltung 120 an einen Empfänger 114, einen Sender 116 und einen Synthesierer 118 bereitstellt. Der Empfänger 114, der Sender 116 und der Synthesierer 118 können durch Verwendung herkömmlicher Schaltungen ausgeführt werden, z.B. solcher, die in "DYNATEC Cellular Mobil Telephone Instruction Manual", Motorola Publication Nr. 68P81070E40, erhältlich von Motorola C & E Parts, 1313 E. Algonquin Road, Schaumburg, Illinois, 60196, beschrieben sind.
Die Leistungsteilerschaltung 120 umfaßt drei gedruckte Schaltungsleiter 122, 124 und 126 und zwei Abschlußwiderstände 128 und 130, die jeweils als Abschlußimpedanz für die Leiter 122 und 126 wirken. Der Leiter 124 ist elektrisch angeschlossen, um die Leistung direkt von dem VCO zu empfangen. Die Leiter 122 und 126 sind angeordnet, damit jeder über eine wenigstens teilweise Breitseitenkopplung einen Teil der Leistung von dem Signal auf dem Leiter 124 empfängt. Die Widerstände 128 und 130 werden verwendet, um einen ausgewählten Abschluß an die Richtkopplung von dem Leiter 124 anzulegen. Strukturell sind die Widerstände 128 und 130 auf der gedruckten Schaltungsplatine befestigt (oder gedruckt) und sind (vorzugsweise elektrisch angeschlossen) mit den Leitern 122 und 126 über herkömmliche Verfahren innerhalb der gedruckten Schaltungsplatine verbunden. Die drei Leiter 122, 124 und 126, deren Länge und Breite als L bzw. W dargestellt ist, sind als Teil eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts besonders angeordnet.
Figur 2a zeigt eine bevorzugte Art, in der die Leiter 122, 124 und 126 von Figur 1 als Teil eines dreilagigen gedruckten Schaltungsabschnitts 210 angeordnet werden können. Figur 2a zeigt eine Schnittansicht des gedruckten Schaltungsabschnitts 210, die die Breite jedes darin dargestellten Leiters veranschaulicht. Der Abschnitt 210 enthält einen Masseleiter 212, der eine Massereferenz für die Leiter 122, 124 und 126 bereitstellt, und ein im Innern des Abschnitts 210 enthaltenes herkömmliches dielektrisches Material 214. Der Leiter 124 ist auf einer ersten äußeren Oberfläche 218 des Abschnitts 210 dargestellt, während der Masseleiter 212 auf einer zweiten äußeren Oberfläche 220 des Abschnitts 210 dargestellt ist. Die beiden übrigen Leiter 122 und 126 sind als Teil der inneren Schicht des Abschnitts 210 dargestellt.
Die Leiter 122 und 126 liegen vorzugsweise direkt unter und parallel (in Längsrichtung) zu dem Leiter 124. Dieses erlaubt optimale Kopplung von dem Leiter 124 auf jeden der Leiter 122 und 126. Um die Kopplung zwischen den Leitern 122 und 126 und dem Leiter 124 zu erhöhen, können die Breiten und/oder die Längen der Leiter 122 und 126 vergrößert werden, und/oder die Leiter 122 und 126 können direkter unter dem Leiter 124 liegen.
Zum Beispiel wurden die Leiter 122, 124 und 126 des gedruckten Schaltungsabschnitts 210 von Figur 2a ausgeführt (mit Kupfer) und auf 12 dB Kopplung von dem Leiter 124 auf die Leiter 122 und 126, mit 50 Ohm Abschlug (mit normalen 51 Ohm Widerständen 128 und 130 von Figur 1) und mit den folgenden Abmessungen getestet:
Breite des Leiters 124: 40 tausendstel Zoll (mils);
Breite der Leiter 122 und 126: 10 mils;
Länge der Leiter 122, 124 und 126: 875 mils;
Dicke jedes Leiters: etwa 1 mil;
Abstand zwischen den Leitern 122 und 126: 20 mils;
Abstand zwischen der Schicht, die die Leiter 122 und 126 enthält, und der Schicht, die den Leiter 124 enthält: etwa 11 mils; und
Abstand zwischen der Schicht, die die Leiter 122 und 126 enthält, und der Schicht, die den Masseleiter 212 enthält: etwa 11 mils.
Bei Funkanwendungen ist dei Kritikalität der Trennung zwischen dem Empfänger und dem Sender wohlbekannt. Die Testergebnisse für die Anordnung von Figur 12a waren für die beabsichtigte Anwendung mehr als angemessen. Die Trennung zwischen den Leitern 122 und 126 wurde mit 26 dB gemessen, während die Rückwärtstrennung entlang dem Leiter 124 zu jedem der Leiter 122 und 126 mit 23 dB gemessen wurde. Außerdem wurde nur ein Verlust von 1.8 dB von dem Ausgang des VCO 112 (Figur 1) zu dem Eingang des Empfängers 114 gemessen.
Figur 2b zeigt, ebenfalls als Schnittansicht dargestellt, eine alternative Anordnung der Leiter 122, 124, 126 und 212 als Teil eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts 240. Abschnitt 240 ist dem Abschnitt 210 von Figur 2a ähnlich, außer daß Abschnitt 240 eine vierte Leiterschicht enthält, die an die Schicht, in der Leiter 124 dargestellt ist, angrenzt. Die vierte Schicht ist eine Außenschicht, die einen Masseleiter 216 umfaßt. Die Konfiguration von Figur 2b ist dadurch vorteilhaft, dar die darin beschriebene Anordnung vollständig zu/von benachbarten Schaltkreisen getrennt ist.
Für Anwendungen, bei denen ein solcher vierter Leiter verwendet wird, ist diese Anordnung nützlich, da sie eine zusätzliche Masseisolierung gegenüber naheliegenden Schaltkreisen hinzufügt.
Figur 2c zeigt, ebenfalls als Schnittansicht dargestellt, eine zweite alternative Anordnung der Leiter 122, 124, 126 von Figur 2a als Teil eines gedruckten Schaltungsplatinenabschnitts 260. Diese Anordnung ist der in Figur 2a gezeigten Anordnung ähnlich, außer daß die Leiter 124 enthaltende Schicht und die Leiter 122 und 126 enthaltende Schicht umgestellt wurden. Diese Anordnung (Abschnitt 260) erfordert, daß die Leiter 122 und 126 breiter sind als der Leiter 124, um die gleichen Kopplungskoeffizienten und Impedanzen von Abschnitt 210 zu erhalten.
Die Abmessungen der verschiedenen Leiter sind wichtig, um die Kopplungserfordernisse der einzelnen Anwendung zu erfüllen. Da die hierin beschriebenen und dargestellten Anordnungen neuartig sind, wurden noch keine Algorithmen oder "Kochbuch"-Prozeduren entwickelt, die verwendet werden können, um optimale Abmessengen für eine gegebene Anwendung zu entwerfen. Die oben bereitgestellten Beispiele und Hinweise legen jedoch die Art und Weise klar dar, in der das Entwerfen der Abmessungen durchgeführt werden kann.

Claims

1. Schaltung zum Aufteilen von Hochfrequenzleistung, die von einer Leistungsquelle bereitgestellt wird, an externe Schaltkreise, wobei die Schaltung Teil einer Schaltungsplatine (210) mit mindestens drei Schichten ist und gekennzeichnet ist durch:

einen ersten Leiter (124), der auf einer von einer ersten oder zweiten Schicht gelegen ist, wobei der erste Leiter (124) mit der Leistungsquelle und einem ersten Teil der externen Schaltkreise verbunden ist und wobei der erste Leiter (124) die Leistung von der Leistungsquelle empfängt und mindestens einen Teil der Leistung an den ersten Teil der externen Schaltkreise überträgt;

einen zweiten Leiter (122), der auf der anderen der ersten oder zweiten Schichten und im wesentlichen parallel zu dem ersten Leiter (124) und an diesen angrenzend gelegen ist, wobei der zweite Leiter (122) einen Teil der Leistung auf dem ersten Leiter (124) über eine mindestens teilweise Breitseitenkopplung empfängt und die Leistung an einen zweiten Teil der externen Schaltkreise überträgt;

einen dritten Leiter (126), der auf der gleichen Schicht wie der zweite Leiter (122) und im wesentlichen parallel zu dem ersten Leiter (124) und im wesentlichen an diesen angrenzend gelegen ist, wobei der dritte Leiter (126) einen Teil der Leistung auf dem ersten Leiter (124) über eine mindestens teilweise Breitseitenkopplung empfängt und die Leistung an einen dritten Teil der externen Schaltkreise überträgt; und

einen ersten Masseleiter (212), der auf der dritten Schicht gelegen ist, zum Bereitstellen einer Massereferenz für die ersten (124), die zweiten (122) und die dritten (126) Leiter.

2. Schaltung nach Anspruch 1, und weiter gekennzeichnet durch einen zweiten Masseleiter auf einer vierten Schicht, anliegend an die erste Schicht gelegen, zum Bereitstellen einer zusätzlichen Massereferenz für die ersten (124), die zweiten (122) und die dritten (126) Leiter.

3. Schaltung nach Anspruch 1, und weiter gekennzeichnet durch erste (128) und zweite (130) Abschlußimpedanzen, die jeweils mit den zweiten (122) und dritten (126) Leitern verbunden sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1, worin der erste Leiter (124) im wesentlichen die zweiten (122) und dritten (126) Leiter überlappt.